張曉舒 華中師范大學(xué)職業(yè)與繼續(xù)教育學(xué)院

虛擬仿真在開放實驗中的應(yīng)用

張曉舒 華中師范大學(xué)職業(yè)與繼續(xù)教育學(xué)院

LTE網(wǎng)絡(luò)是當前全球廣泛商用的高新技術(shù)，在高校通信專業(yè)的教學(xué)中所占比重較大。LTE的規(guī)劃和優(yōu)化是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運營維護過程中需要面臨的實際工程問題，是移動通信課程中的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容。特別是無線網(wǎng)區(qū)域覆蓋是LTE網(wǎng)絡(luò)需要解決的基本問題，對學(xué)生而言，不僅需要熟悉覆蓋規(guī)劃方法，還需要掌握區(qū)域覆蓋的優(yōu)化方法，將兩方面的學(xué)習(xí)融會貫通，應(yīng)用于實踐中解決實際工程問題。然而傳統(tǒng)的移動通信實驗室基本上基于“實驗箱“，這樣的實驗平臺只能開展原理性實驗，在規(guī)劃和優(yōu)化實驗方面具有很多實際困難，甚至不可行；而在實驗室中搭建的實體網(wǎng)絡(luò)不但成本高昂且很難模擬出各種類型的無線場景。更為重要的是實體實驗無法做到實驗資源的開放共享。故而采用虛擬仿真手段很好解決上述困難，能夠幫助學(xué)生隨時隨地的在線實驗，不受時間空間和實驗資源的約束，快速熟悉和掌握LTE網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，逼真的移動網(wǎng)絡(luò)壞境體驗更有利于學(xué)生積累無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化方面的實際工程經(jīng)驗，最終達到“了解技術(shù)、融合知識、結(jié)合實際，遞進能力”的目的。

LTE 網(wǎng)絡(luò)覆蓋 覆蓋規(guī)劃 覆蓋優(yōu)化 路測 虛擬仿真

1 概述

傳統(tǒng)的移動通信實驗室基本上基于“實驗箱“（或”實驗柜”），這樣的實驗平臺通常是模擬移動通信系統(tǒng)物理層點到點傳輸過程，側(cè)重于信號處理技術(shù)方面的了解，在開展規(guī)劃和優(yōu)化實驗方面具有很多實際困難，甚至不可行。

另一方面在實驗室中搭建真實的移動通信網(wǎng)絡(luò)，需要極大的設(shè)備投資和場地；切頻繁操作網(wǎng)絡(luò)極易造成實體設(shè)備各部件的損耗和破壞；眾多的無線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)場景又是和網(wǎng)絡(luò)所處的地理環(huán)境和用戶行為密切相關(guān)，實驗室中的實體網(wǎng)絡(luò)通常很難模擬出各種類型的場景，無法復(fù)現(xiàn)故障，對實驗操作的帶來了極大的限制。

同時上述的實驗方式受到時間地點和實驗人數(shù)的限制，無法共享實驗資源，無法進行在線遠程實驗

因此建設(shè)虛實結(jié)合的仿真虛擬教學(xué)實驗平臺，可以完美地解決移動網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化在傳統(tǒng)實驗和實網(wǎng)實驗中面臨的難題。讓學(xué)生隨時隨地的在線實驗，不受時間空間和實驗資源的約束，自定義個性化的學(xué)習(xí)進度資源共享。

通過虛擬仿真手段，讓學(xué)生在虛擬場景中，進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃與配置開通，網(wǎng)絡(luò)性能的測試，信令數(shù)據(jù)的分析與覆蓋故障的定位優(yōu)化，自主探索個性化的解決方案，加深對知識的理解與靈活應(yīng)用，逐步培養(yǎng)出滿足社會需要的理論和實踐技能兼?zhèn)涞膹?fù)合型、多樣化的技術(shù)人才，達到“了解技術(shù)、融合知識、結(jié)合實際，遞進能力”的目的。

2 LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃與優(yōu)化虛擬仿真

LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃與優(yōu)化虛擬仿真分為兩個階段：覆蓋規(guī)劃階段和覆蓋優(yōu)化階段。

2.1 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃環(huán)節(jié)

在虛擬仿真環(huán)境中，利用所學(xué)的移動網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)原理，以可視化的方式進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計，主要步驟包括：

2．1．1 仿真模型選型

通過選擇合理的傳播模型，并進行覆蓋估算，匹配后面的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的場景，使整個仿真過程合理有效；并讓學(xué)生了解傳播模型的作用。

（1）確定傳播模型:選定實驗中所應(yīng)用的傳播模型，例如SPM模型、COST231- Hata模型等。然后根據(jù)虛擬仿真的地理環(huán)境，設(shè)置傳播模型的參數(shù)。

（2）覆蓋估算

選擇一定的的傳播模型后，進行鏈路預(yù)算，利用發(fā)射端，傳播空間和接收端的相關(guān)參數(shù)，計算出無線鏈路所能允許的最大路徑損耗，然后將允許的最大路徑損耗代入無線傳播模型中去，估算出相應(yīng)的覆蓋半徑。

2．1．2 小區(qū)規(guī)劃

通過容量，地圖背景，容量參數(shù)，選擇合理的基站位置，PCI參數(shù)。

確定基站的蜂窩結(jié)構(gòu)，根據(jù)基站覆蓋半徑，計算單基站的覆蓋面積，從而得出滿足覆蓋要求的最少基站數(shù)量和位置。

2．1．3 組網(wǎng)開局

利用虛擬的手機、天饋、基站等網(wǎng)元設(shè)備，在仿真的地理空間中根據(jù)站址規(guī)劃的結(jié)果，搭建一個完整的移動通信網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，并為各種網(wǎng)元設(shè)備設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，進行網(wǎng)絡(luò)開通。

（1）按照規(guī)劃好的小區(qū)列表數(shù)據(jù)，在地圖上添加對應(yīng)的基站和小區(qū)，并調(diào)整相關(guān)參數(shù)和小區(qū)列表保持一致。

（2）覆蓋渲染仿真。在虛擬仿真環(huán)境中，開通網(wǎng)絡(luò)后，進行覆蓋效果的渲染仿真，驗證覆蓋效果是否針對選定的地理環(huán)境達到了規(guī)劃的目標。

2．1．4 制造覆蓋故障。

在虛擬仿真環(huán)境中，利用影響覆蓋效果的相關(guān)理論知識，設(shè)計一種或多種網(wǎng)絡(luò)覆蓋故障，并通過在虛擬仿真環(huán)境中，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)、基站數(shù)量、天線角度、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、傳播模型、地理環(huán)境等來制造相應(yīng)的覆蓋問題。

2.2 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化環(huán)節(jié)

覆蓋故障優(yōu)化組的學(xué)生，利用的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化知識，通過虛擬路測和仿真優(yōu)化手段來解決網(wǎng)絡(luò)的覆蓋故障。

2．2．1 虛擬路測與覆蓋故障分析

對存在覆蓋故障的虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，按測試路線和測試計劃進行虛擬路測，采集LTE網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)，通過參數(shù)分析、KPI統(tǒng)計、信令流程分析、覆蓋專題分析等方法發(fā)現(xiàn)覆蓋空洞、弱覆蓋、越區(qū)覆蓋、導(dǎo)頻污染這四類覆蓋問題。

該仿真包括LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化仿真引擎加載、虛擬路測、軌跡點分析、覆蓋參數(shù)統(tǒng)計分析等幾個過程。

2．2．2 覆蓋問題優(yōu)化調(diào)整

通過對網(wǎng)優(yōu)數(shù)據(jù)進行分析，定位網(wǎng)優(yōu)問題點，調(diào)整對應(yīng)天線、基站、小區(qū)參數(shù)等消除覆蓋故障。

2．2．3 閉環(huán)復(fù)測

保存修改后的仿真場景數(shù)據(jù)，重新進行仿真測試，直到達到預(yù)期的覆蓋效果。

張曉舒，湖北荊州人，華中師范大學(xué)職業(yè)與繼續(xù)教育學(xué)院講師，研究方向遠程教育，成人教育。